6.5: Количественная оценка работы

По мере того как система претерпевает изменения, ее внутренняя энергия может меняться, и энергия может передаваться из системы в окружающую среду или из окружающей среды в систему.  

Передача энергии происходит за счет тепла и работы. Взаимосвязь между внутренней энергией, теплом и работой представлена уравнением:

В то время как тепло является функцией наблюдаемого изменения температуры, работа является функцией наблюдаемого изменения объема, называемого работой давления-объема. Рабочий (w) может быть определен как усилие (F), действующее через расстояние (D).

Работа по давлению-объему (или работа по расширению) происходит, когда система отталкивает окружающую среду от сдерживающего давления или когда окружающая среда сжимает систему. Пример этого происходит во время работы двигателя внутреннего сгорания. Реакция горения бензина и кислорода экзотермична. Часть этой энергии выделяется в виде тепла, а часть выполняется в виде работы за счет расширения газов в цилиндре, тем самым выталкивая поршень наружу. Вещества, участвующие в реакции, - это система, а двигатель и остальная вселенная - это окружение. Система теряет энергию как при нагревании, так и при работе с окружающей средой, а ее внутренняя энергия уменьшается.

При увеличении объема цилиндра (т.е. газ расширяется) он толкает его против внешней силы, которая представляет собой давление, определяемое как сила на единицу площади.

Из уравнений 2 и 3:

Произведение площади и расстояния (A × D) равно изменению объема (ΔV) газа в баллоне.

Поэтому

Так как объем увеличивается во время расширения, VFinal > Vinitial, и ΔV является положительным. Однако для положительного расширения (т.е., когда система работает над окружающей средой), w должно быть отрицательным, и поэтому к уравнению добавляется отрицательный знак.  

В соответствии с этим уравнением работа давления-объема равна отрицательному значению внешнего давления (или противоположного давления), умноженным на изменение объема.  

Единица измерения, основанная на этом уравнении, — L·atm. Некоторые другие полезные коэффициенты преобразования:  

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 5.3: Энтальпия.

Напомним, что внутренняя энергия системы определяется как сумма теплоты и работы. Теплота измеряется калориметрическим методом, но как измерить работу? Работа это результат воздействия силы на объект, например, когда его тянут, толкают или поднимают.

Таким образом, работа равна силе, умноженной на расстояние. Если удар клюшки для гольфа перемещает мяч на 100 футов, значит, она выполнила работу. Энергия передается от клюшки к мячу.

В этом случае мяч это система, над которой осуществляет работу окружение. В химических реакциях работа может быть связана с множеством физических или химических изменений в системе. Часто встречающийся тип работы это работа с давлением и объемом.

Рассмотрим сгорание в цилиндре двигателя. При сгорании не только выделяется тепло, но и выделяется газ, который выполняет работу. Когда объем газа в цилиндре увеличивается, давление толкает поршень вниз, действуя против внешних сил окружающей среды.

Давление определяется как сила, действующая на площадь. Здесь сила расширяющихся газов распределяется по площади основания поршня. Другими словами, сила равна давлению, умноженному на площадь.

Таким образом, работу, которая является силой, умноженной на расстояние, можно представить как давление, умноженное на площадь и расстояние, на котором оно действует. Для цилиндра двигателя это разница высот, на которую перемещается поршень. Учитывая, что площадь, умноженная на высоту, это объем цилиндра, уравнение работы можно определить как умножение давления на изменение объема системы.

Однако, поскольку объем увеличивается, и поршень выталкивается вниз, система фактически выполняет работу с окружающей средой, которая обычно имеет отрицательное значение. Поэтому работа определяется как отрицательное значение давления P, умноженное на дельта V, или изменение конечного и начального объема, которое произошло во время расширения. Единица измерения работы давления и объема обычно определяется как литр-атмосфера.

Эту единицу можно преобразовать в обычную единицу энергии, Джоули, используя коэффициент преобразования, равный 101, 3 Джоуля.

• Pressure-Volume Work - An energy transaction where a system impacts the surroundings by resisting pressure or being compressed by it.
• Internal Energy - The energy change that takes place during a system's transformation.
• External Pressure - The opposing force a system works against while changing volume.
• Expansion Work - The process where energy is utilised to amplify the gases in a cylinder, for example in an internal combustion engine.
• Work Calculation in Chemistry - The action where pressure and volume changes are quantified to determine energy transfer.

• Define Pressure-Volume Work – Explaining the energy transfer when a system resists pressure or compresses (e.g., pressure volume work equation).
• Contrast Internal and External Energy – Enumerate the differences between internal and external energy (e.g., the role of the surroundings).
• Explore Expansion Work – Discuss how energy fuels the magnifying of gases in a cylinder (e.g., combustion in internal combustion engines).
• Explain Pressure Changes – Understanding the impacts of pressure changes on work, volume and energy.
• Apply Work Calculation in Chemistry – Learning to calculate work from changes in pressure and volume in chemistry.

• What is pressure-volume work and how does it impact the surroundings?
• How does expansion work contribute to the operation of internal combustion engines?
• How are changes in pressure and volume calculated for work in chemistry?

• Engineering Students – Understand how pressure volume work plays a fundamental role in different engineering fields.
• Chemistry Teachers – Provides a clear explanation of work calculation in thermodynamics, useful for teaching the subject.
• Science Researchers – Useful in exploring new ways to optimize energy use in systems with changing pressure.
• Automobile Enthusiasts – Offers insights on the operation of internal combustion engines, fostering deeper understanding.